KR20170130778A - 겔 캐스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법 - Google Patents

겔 캐스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 소정 용매에 세라믹 분말 및 분산제가 분산된 슬러리를 준비하는 단계; 준비된 상기 슬러리에 단량체, 이량체, 개시제 및 촉매제를 첨가하는 단계; 준비된 상기 슬러리에 포함된 기포를 제거하는 단계; 상기 슬러리를 미리 준비된 몰드에 주입 후, 겔 케스팅법을 이용하여 겔화시켜 소정 형상의 성형체를 준비하는 단계; 준비된 상기 성형체를 상기 몰드에서 탈형 후, 건조 시키는 단계; 및 건조된 상기 성형체를 소결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법{The manufacturing method of ceramic molded object using gel casting}
본 발명은 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 슬립의 유동과정과 고화과정을 완전히 분리할 수 있는 특징을 갖는 겔 케스팅법을 이용하여 세라믹 성형체를 제조함으로써, 복잡한 형상뿐만 아니라 단순형태의 대형 성형체의 제조가 가능하고, 성형체의 강도가 높아 기계 가공을 실시할 수 있으며 다품종 소량 생산에도 그 수요를 충족시킬 수 있는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
지르코니아와 같은 세라믹 재료는 분자량 123.22, 융점 2680℃, 밀도 5.6~6.1 g/㎤, 모스경도 7이며 zircon과 Baddelyite 광물에서 얻을 수 있는 재료로서 우수한 특성으로 인하여 여러 분야에서 사용되고 있다.
높은 용융온도(약 2,700℃)를 갖는 내열성 재료로서 이외에도 낮은 열전도도, 산성에서 알카리성 영역까지의 넓은 내화학 안정성을 가지며 낮은 열 팽창성, 고강도 및 고경도의 내마찰성 등 우수한 재료적 특성을 가지고 있어 19세기 초부터 유리용융용, 제철 제가용 등의 내열 재료로 사용되어 왔으나, 세라믹 재료가 갖고 있는 취성 때문에 그 활용 범위가 제한되었다.
그러나, 1975년 Garvie 등이 상 변태에 의하여 강도가 증진되며 세라믹스의 단점인 취성을 개선할 수 있음이 밝혀진 후, 고강도 및 고인성의 지르코니아 세라믹스 제조에 대한 연구가 활발하게 진행되었으며, 그 결과 다양한 분야에 지르코니아가 활용되게 되었다.
특히, 전기, 전자적 특성으로 자동차 배기가스 산소센서, 고온고체 전해질 연료전지, 기계적 특성으로 내마모성 절삭공구, 연마용 볼, 연속주조용 노즐, 광학적 기능으로 큐빅 지르코니아, 인조보석, 화학적 기능으로 반도체용 치공구, 촉매용 담체, 생체재료 등 광범위한 응용성을 갖고 있다.
이러한 세라믹스의 넓은 응용성에도 불구하고 복잡 형상으로의 제조에 따른 신뢰성 문제 및 높은 가공비 등으로 인하여 실적용에는 제한을 받고 있다.
따라서 세라믹스의 고유 특성을 유지하면서 원하는 형상 혹은 복잡한 형상을 제조할 수 있는 공정개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이는 기존 공정을 개선하려는 노력과 아울러 새로운 개념을 도입하여 새로운 공정기술을 개발하려는 노력도 함께 이루어지고 있다.
한편, 현재 복잡한 형상의 세라믹 성형체를 얻기 위한 성형 방법은 기계적 가공을 포함하여 주입성형, 등가압성형, 압출성형, 가압주입성형 등이 있으나, 저가로 복잡 형상 세라믹스 부품을 얻는 데는 각각 단점을 갖고 있다.
먼저, 주입성형의 경우 slip의 적당한 유동성 조건과 보형성, 탈형성, 가공성에 따라 성형체의 특성이 민감하게 반응하여 성형체의 수율이 낮고 공정시간이 길뿐만 아니라 성형체 내에 밀도 구배가 발생하며, 성형강도가 낮아 대형부품 제조시 균열발생, 붕괴 등의 문제점을 가지고 있다.
한편, 냉간 정수압성형은 고가의 장비가 필요하고, 성형 몰드를 교체해야 하는 문제점 때문에 양산공정에 적용이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 압출성형의 경우, 유기 첨가제 사용함에 따라 탈지 공정이 길고 탈지 후 남겨진 기공을 소결 공정에서 완전히 제거하는데 어려움이 따르며 금속 몰드 제작에 많은 비용을 소모할 수 있다.
아울러, 가압주입성형은 공정시간을 단축시 킬 수 있으나 성형체 내 밀도 구배 등 주입성형의 근본적 문제 해결에는 미흡한 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 겔 케스팅법을 이용하여 슬립의 유동과정과 고화과정을 완전히 분리할 수 있어, 복잡한 형상의 near net shaping이 용이할 뿐만 아니라, 원형이나 사각형 등의 단순형태의 대형 성형체 제조가 가능한 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법 제공을 일 목적으로 한다.
아울러, 성형체의 강도가 높아 기계 가공이 가능하고, 다품종 소량 생산도 가능하며, 세라믹 성형체의 신뢰성 및 재현성 향상과 제조비용을 절감할 수 있는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법 제공을 다른 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 소정 용매에 세라믹 분말 및 분산제가 분산된 슬러리를 준비하는 단계, 준비된 상기 슬러리에 단량체, 이량체, 개시제 및 촉매제를 첨가하는 단계, 준비된 상기 슬러리에 포함된 기포를 제거하는 단계, 상기 슬러리를 미리 준비된 몰드에 주입 후, 겔 케스팅법을 이용하여 겔화시켜 소정 형상의 성형체를 준비하는 단계, 준비된 상기 성형체를 상기 몰드에서 탈형 후, 건조 시키는 단계 및 건조된 상기 성형체를 소결시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 용매는 증류수이며, 상기 세라믹 분말은 지르코니아 분말일 수 있으며, 상기 세라믹 분말 및 분산제는 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 볼밀링 후, 상기 용매에 분산될 수 있다.
바람직하게는 상기 슬러리에 첨가되는 단량체는 acrylamide, 이량체는 ethylenbisacrylamide, 개시제는 ammonium persulfate이며, 촉매제는 N,N,N’,N’-Tetramethylendiamin을 이용할 수 있다.
바람직하게는 준비된 상기 슬러리에 포함된 기포를 제거하는 단계는, 24시간 동안 볼밀링 후, 자력 교반기로 상기 슬러리를 회전시키며 진공펌프를 이용해 3분 동안 기포를 제거할 수 있다.
바람직하게는 상기 슬러리를 미리 준비된 몰드에 주입 후, 겔 케스팅법을 이용하여 겔화시켜 소정 형상의 성형체를 준비하는 단계는, 겔화 반응시간이 15~20분일 수 있다.
바람직하게는 준비된 상기 성형체를 상기 몰드에서 탈형 후, 건조 시키는 단계는, 상기 몰드에서 탈형된 성형체를 습도 40%, 20℃ 온도에서 24시간 동안 1차 건조하고, 80℃ 온도에서 24시간 동안 2차 건조하며, 120℃ 온도에서 24시간 동안 3차 건조될 수 있다.
바람직하게는 건조된 상기 성형체를 소결시키는 단계는, 1480℃의 온도에서 2시간 동안 소결될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법은 겔 케스팅법을 이용하여 슬립의 유동과정과 고화과정을 완전히 분리할 수 있어, 복잡한 형상의 near net shaping이 용이할 뿐만 아니라, 원형이나 사각형 등의 단순형태의 대형 성형체 제조가 가능하다.
아울러, 성형체의 강도가 높아 기계 가공이 가능하고, 다품종 소량 생산도 가능하며, 세라믹 성형체의 신뢰성 및 재현성 향상과 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법의 전제 공정도다.
도 2는 분산제 첨가량에 따른 지르코니아 슬러리의 점도 변화를 나타낸 그래프다.
도 3은 고형함량에 따른 지르코니아 슬러리의 점도변화를 도시한 그래프다.
도 4는 상온에서 지르코니아 슬러리에 반응 개시제 첨가량에 따른 겔화 반응시간의 변화를 나타낸 그래프다.
도 5는 각 겔 성형체의 열분석 결과 그래프, 도 6은 소결 후 미세구조를 나타낸 이미지다.
도 7은 ZL-3YA 분말과 TZS3Y 분말의 단량체와 이량체 혼합비율에 따른 소결밀도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 8은 성형체의 미세구조에 대한 이미지다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
이와 관련하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법의 전제 공정도인 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법은 소정 용매에 세라믹 분말 및 분산제가 분산된 슬러리를 준비하는 단계(S100)를 포함한다.
이때, 본 발명의 일실시 예에 있어서, 상기 소정 용매는 증류수를 이용하며, 상기 세라믹 분말은 지르코니아 분말을 이용한다.
이때, 상기 지르코니아 분말은 ZL-3YA(Changsha Zhonglong Chemical Co., China, 평균입경 : ~ 0.7㎛, BET : 8.9m²/g, Y2O3함량 5.5wt%) 또는 TZS3Y(Sin Xing Advanced Material Limited., Hong Kong, 평균입경 : ~ 0.1㎛, BET : 15.2m²/g, Y2O3함량 5.23wt%)을 사용한다.
한편, 상기 슬러리에 첨가되는 상기 분산제는 SN-Dispersant 5468(San nopco사 제조)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 세라믹 분말 및 분산제는 상기 증류수에 단순 혼합된 상태로 분산될 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 세라믹 분말 및 분산제는 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 볼밀링 후, 상기 증류수에 분산된다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법은 준비된 상기 슬러리에 단량체, 이량체, 개시제 및 촉매제를 첨가하는 단계(S200)를 포함한다.
이때, 첨가되는 단량체, 이량체, 개시제 및 촉매제는 하기와 같다.
먼저, 상기 단량체는 유기 단량체(monomer)로, 1관능형인 acrylamide(AM, (H2C=CHCONH2)를 사용하고, 상기 이량체(dimer)는 2관능형 가교제로 ethylenbisacrylamide(MBAM, (C2H3CONH)2CH2)를 사용하며, 상기 개시제는 고분자중합 개시제인 ammonium persulfate(APS,(NH4)2S2O8)이며, 촉매제는 N,N,N’,N’-Tetramethylendiamin(TEMED,(CH3)2NCH2CH2N(CH3)2)을 사용한다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법은 준비된 상기 슬러리에 포함된 기포를 제거하는 단계(S300)를 포함한다.
이때, 상기 슬러리에서 기포를 제거하는 단계(S300)는, 24시간 동안 볼밀링 후, 자력 교반기로 상기 슬러리를 회전시키며 진공펌프를 이용해 3분 동안 상기 슬러리에 포함된 기포를 제거한다.
한편, 상술한 기포를 제거하는 단계(S300)에서 사용되는 자력 교반기 및 진공펌프는 다양한 형태 또는 방식으로 작동되는 교반기 및 진공펌프를 이용할 수 있으므로 이에 대한 특별한 한정은 두지 아니한다.
한편, 본 발명이 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법은 슬러리를 미리 준비된 몰드에 주입 후, 겔 케스팅법을 이용하여 겔화시켜 소정 형상의 성형체를 준비하는 단계(S400)를 포함한다.
이때, 겔 케스팅법이라 함은 유기 단량체를 함유한 고농도로 분산된 슬립 내에 유기 단량체의 라디칼 중합을 이용한 방법으로, 사용 용매는 물이나 유기 용매가 쓰이고 각각 수계, 비 수계 겔케스팅으로 구분된다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따르면 상기 겔 케스팅법을 이용하여 겔화시켜 소정 형상의 성형체를 준비하는 단계(S400)는, 겔화 반응시간이 15~20분인 것을 특징으로 하며, 이때 본 발명이 실시 예에 따른 겔 케스팅법의 겔화 반응은 일반적인 졸 겔법에서 용매량이 줄어들면서 일어나는 열적인 겔화가 아니라, 단량체 또는 이량체의 형태로 slip에 첨가한 유기물이 free radical 반응에 의하여 생성하는 중합체에 의한 화학적 겔화이다.
한편, 상기 몰드는 제조되는 성형체의 형태에 따라 다양한 형상 또는 크기로 이루어질 수 있음은 물론이나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 직경 50mm, 두께 40mm의 아크릴 몰드를 이용한다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법은 준비된 상기 성형체를 상기 몰드에서 탈형 후, 건조 시키는 단계(S500)를 포함한다.
이때, 상술한 건조시키는 단계(S500)는, 상기 몰드에서 탈형된 성형체를 습도 40%, 20℃ 온도에서 24시간 동안 1차 건조하고, 80℃ 온도에서 24시간 동안 2차 건조하며, 마지막으로 120℃ 온도에서 24시간 동안 3차 건조된다.
즉, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법은 탈형된 성형체를 3차에 거쳐 건조시킨다.
아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 제조방법은 건조된 상기 성형체를 소결시키는 단계(S600)를 포함한다.
이때, 건조된 상기 성형체를 소결시키는 단계(S600)는, 1480℃의 온도에서 2시간 동안 상기 성형체를 소결시킴으로써 최종 성형체를 제조한다.
한편, 이하에서는 본 발명의 일실시 예에 따른 세라믹 성형체 제조방법의 특성에 대해 상세히 설명한다.
1. 세라믹 분말 슬러리의 점도 특성
이와 관련하여 분산제 첨가량에 따른 지르코니아 슬러리의 점도 변화를 나타낸 그래프인 도 2를 참조하면 먼저, 지르코니아 분말과 분산매인 증류수, 그리고 분산제, 모노머, 다이머로 구성된 슬립을 제조 시, 모노머와 다이머는 세라믹 입자의 분산에는 영향을 거의 미치지 않는다는 보고에 따라 고농도로 분산된 슬립에 분산제 첨가에 따른 점도변화의 관찰로 최적의 슬립조건을 고찰하였다.
이때, ZL-3YA 분말의 경우, 분산제 첨가량을 1.2 ~ 2.0 wt%로 변화시키며 적용하여 각각의 점도 값을 측정한 결과, 1.6 wt%에서 230 cP로 가장 낮은 점도 값이 관찰되었다.
한편, TZS3Y 분말에서는 분산제의 양을 2.6 ~ 3.2 wt%로 변화시키며 점도 값을 측정하였고, 3.0 wt%에서 306 cP로 가장 낮은 점도 값을 보였다. TZS3Y 분말의 경우, 적은 양의 분산제인 1.2 ~ 2.0 wt%에서 동일하게 분산을 시켜 보았으나 분산이 전혀 이루어지지 않아 분산제 양을 늘려 분산이 가능토록 만들었다.
상기 TZS3Y 분말의 입자가 ZL-3YA 분말의 입자에 비해 미세하므로 입자의 비표면적이 커 고분자 전해질의 흡착량이 증가한 것으로 나타났다.
상기 ZL-3YA 분말은 분산제가 1.6 wt% 보다 적은 양에서는 매우 높은 점도를 나타내었으며, 이는 분산제가 지르코니아 입자표면에 흡착되는 양과 분산에 필요한 표면 하전이 부족하여 분산안정성이 결여된 것이다.
한편, 1.6wt% 이상에서도 다소 높은 점도를 나타내고 있는데 이는 첨가된 분산제가 지르코니아 표면에 흡착되고 남은 여분의 분산제가 분산매인 물에 용해되어 삼투압을 유발시켜 여분의 분산제가 오히려 슬러리의 점도를 높이는데 기여한 것으로 판단되며, 가장 낮은 점도가 얻어지는 조건을 기준으로 지르코니아 분말의 고형함량 증가에 따른 점도변화를 측정하였다.
이때, 고형함량은 40 vol% ~ 45 vol%로 변화시켜가며 점도를 측정하였고, 그 결과를 고형함량에 따른 지르코니아 슬러리의 점도변화를 도시한 그래프인 도 3에 도시하였다.
상기 도 3을 참조하면, 측정 결과 ZL-3YA 분말에서는 40 vol%, TZS3Y 분말에서는 41 vol%의 고형함량에서 가장 낮은 점도가 관찰됨에 따라 최종적으로 지르코니아 고형함량을 40 vol%, 41 vol%로 고정하여 지르코니아 겔 케스팅 슬러리를 제조하였다.
한편, 알루미나 겔 케스팅 고형함량의 경우 50 vol% 이상에서도 최적 점도를 찾아 볼 수 있었는데, 지르코니아의 경우 알루미나에 비해 고형함량이 적게 적용되는 것은 알루미나에 비해 상대적으로 밀도가 높아 나타나는 현상에 기인된 것이다.
2. 반응 개시제에 따른 겔화 반응 특성
반응 개시제 첨가에 따라 모노머가 고분자로 전환되는 중합반응이 일어나지만 중합의 첫 단계에서는 분자량이 낮은 상태로 아직 겔화가 일어나지 않으며 점도는 낮다.
이러한 겔화 반응구간을 지나, 두 번째 단계에서는 일정 전환율을 넘으면서 자가 촉진(autoaccelation)에 의해 급격하게 분자량이 커지면서 겔화가 진행하여 점도가 급증하는 현상을 나타내며, 마지막 단계에서는 중합도가 포화되거나 다시 감소하는 현상을 나타내며 높은 점도를 유지한다.
따라서, 중합반응을 겔 케스팅에 적용하기 위해서는 겔화가 일어나지 않는 첫 번째 단계에서 겔 케스팅을 완료해야 하고, 재현성 있는 겔 케스팅 공정의 확립을 위하여 적절한 겔화반응 시간 제어는 매우 중요하다.
이와 관련하여 상온에서 지르코니아 슬러리에 반응 개시제 첨가량에 따른 겔화 반응시간의 변화를 나타낸 그래프인 도 4를 참조하면, 상기 반응 개시제 첨가량이 증가할수록 겔화 반응시간이 단축됨을 알 수 있었다.
이는 고분자 중합시 개시제의 양이 증가할수록 촉매를 활성화시켜 라디칼 생성 속도가 빨라지기 때문이며, 겔화 반응시간은 촉매의 양보다는 개시제의 양에 더욱 민감하게 영향을 받는데, 이것은 촉매가 개시제에 의존하여 중합반응의 속도가 결정되기 때문이다.
상기 개시제 만을 단독 첨가 시 겔화 반응시간이 약 50시간으로 매우 길어지나, 본 발명과 같이 지르코니아 분말의 입자크기가 클 경우, 같은 양의 개시제 첨가 시 겔화 시간이 단축되었으며 약 0.03 wt% 개시제 첨가 시 약 30분 정도의 겔화 반응 시간을 얻을 수 있었다
3. 탈지 및 소결 특성
건조과정에서 잔류한 물과 성형체의 구조를 형성하는 유기중합체를 제거하는 과정으로써 공기분위기 하소공정이 필요하며, 최적의 하소공정을 알아보기 위하여 각 겔 성형체의 열분석을 실시하였다.
이와 관련하여 각 겔 성형체의 열분석 결과 그래프인 도 5를 참조하면, 상기 ZL-3YA 분말의 경우 100℃ 부근에서 잔류한 물이 제거되면서 무게감량을 보이기 시작하고, 성형체 내 유기물이 300℃ ~ 450℃ 사이에서 탈지되며 발열반응과 함께 중량감소가 급격히 이루어졌다.
한편, 상기 TZS3Y 분말의 경우, 300℃를 전후로 두 번의 무게감량을 보였으며, ZL-3YA 분말에 비하여 좀 더 낮은 온도에서 탈지가 이루어졌고, 두 샘플 모두 900℃까지 탈지가 계속되었으며, 이러한 탈지 거동을 바탕으로 0.5 ℃/min의 느린 승온속도로 1000℃까지 열처리하고, 연속으로 1480℃까지 승온하여 2시간 유지시키며 소결하였다.
이와 관련하여, 소결 후 미세구조를 나타낸 이미지인 도 6을 참조하면, 0.05 wt% 개시제 혼합으로 제조된 성형체를 소결하여 측정된 상대밀도는, ZL-3YA 분말이 97% TZS3Y 분말이 93%를 각각 나타내었다. 소결 수축은 모두 비슷하게 약 29%를 보였으며, 두 경우 모두 과대 입성장은 관찰되지 않았다.
한편, ZL-3YA 분말보다 입자가 작은 TZS3Y 분말에서 많은 기공들이 분포되어 있는 것을 관찰할 수 있는데, 이것은 단량체, 이량체의 혼합비율 영향 및 공정 중 발생한 기포 등이 주요인이라 판단되며 이러한 요인들은 사용된 지르코니아 분말의 입자크기와의 상호 작용에 의하여 영향을 받기 때문이다.
4. 단량체, 이량체의 혼합비율 및 기포발생 특성
이하에서는 단량체와 이량체의 혼합비율이 지르코니아의 소결에 미치는 영향을 고찰하였다.
이와 관련하여 도 7은 ZL-3YA 분말과 TZS3Y 분말의 단량체와 이량체 혼합비율에 따른 소결밀도 변화를 나타낸 그래프다.
상기 도 7을 참조하면, 단량체의 혼합비율이 증가함에 따라 두 분말간의 소결밀도에 차이가 발생하였다.
이때, TZS3Y 분말의 경우, 미세한 입자크기에 의하여 단량체의 혼합비율이 증가할수록 밀도가 감소했는데 이는 미세한 입자와 단량체와 이량체가 혼합되는 과정 중에 이량체의 양은 고정되어 있고 단량체의 양만 증가되면서 단량체와 이량체가 결합하지 못한 공간이 생기고 이 과정 중에 응집체 형성이 발생된 결과이다.
한편, 제조된 겔 슬러리는 모두 일정한 탈포 과정을 거쳤으나, 잔류기포에 차이가 발생됨을 겔 성형체의 밀도차이를 측정하여 알 수 있었다.
상기 ZL-3YA 분말로 제조된 겔 성형체의 경우, TZS3Y 분말로 제조된 겔 성형체 (상대밀도 45%) 보다 높은 49%를 나타내었다.
이러한 성형체의 밀도차이는 분말의 비표면적 차이에 기인하는 분말과 첨가제와의 상호작용에 의해 발생된다.
즉, 겔 형성을 위한 단량체 등의 유기물 첨가 후 볼밀링 공정을 거치는 동안, 이들 첨가제와 지르코니아 분말입자의 표면과의 반응에 의하여 기포가 발생하고, 입자가 작을 경우, 상대적으로 더 많은 기포가 겔 슬러리에 생성되는 것으로 파악된다.
이러한 기포는 슬러리의 높은 점도로 인해 일부 잔류기포가 탈포 후에도 남게 되고, 이것은 소결 시 기공 발생의 원인으로 작용한다.
한편, 성형체의 미세구조에 대한 이미지인 도 8을 참조하면, 상기 TZS3Y 분말로 제조된 겔 성형체의 경우, 미세한 기포가 존재함을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 본 발명의 일실시 예에 따른 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체 및 이의 제조방법은 상술한 기줄적 구성들을 통해 겔 케스팅법을 이용하여 슬립의 유동과정과 고화과정을 완전히 분리할 수 있어, 복잡한 형상의 near net shaping이 용이할 뿐만 아니라, 원형이나 사각형 등의 단순형태의 대형 성형체 제조가 가능하고, 성형체의 강도가 높아 기계 가공이 가능하고, 다품종 소량 생산도 가능하며, 세라믹 성형체의 신뢰성 및 재현성 향상과 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

Claims (9)

  1. 소정 용매에 세라믹 분말 및 분산제가 분산된 슬러리를 준비하는 단계;
    준비된 상기 슬러리에 단량체, 이량체, 개시제 및 촉매제를 첨가하는 단계;
    준비된 상기 슬러리에 포함된 기포를 제거하는 단계;
    상기 슬러리를 미리 준비된 몰드에 주입 후, 겔 케스팅법을 이용하여 겔화시켜 소정 형상의 성형체를 준비하는 단계;
    준비된 상기 성형체를 상기 몰드에서 탈형 후, 건조 시키는 단계; 및
    건조된 상기 성형체를 소결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매는 증류수이며, 상기 세라믹 분말은 지르코니아 분말인 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 분말 및 분산제는 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 볼밀링 후, 상기 용매에 분산되는 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러리에 첨가되는 단량체는 acrylamide, 이량체는 ethylenbisacrylamide, 개시제는 ammonium persulfate이며, 촉매제는 N,N,N’,N’-Tetramethylendiamin을 이용하는 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    준비된 상기 슬러리에 포함된 기포를 제거하는 단계는, 24시간 동안 볼밀링 후, 자력 교반기로 상기 슬러리를 회전시키며 진공펌프를 이용해 3분 동안 기포를 제거하는 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러리를 미리 준비된 몰드에 주입 후, 겔 케스팅법을 이용하여 겔화시켜 소정 형상의 성형체를 준비하는 단계는, 겔화 반응시간이 15~20분인 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    준비된 상기 성형체를 상기 몰드에서 탈형 후, 건조 시키는 단계는, 상기 몰드에서 탈형된 성형체를 습도 40%, 20℃ 온도에서 24시간 동안 1차 건조하고, 80℃ 온도에서 24시간 동안 2차 건조하며, 120℃ 온도에서 24시간 동안 3차 건조되는 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    건조된 상기 성형체를 소결시키는 단계는, 1480℃의 온도에서 2시간 동안 소결되는 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중, 어느 한 항으로 제조되는 것을 특징으로 하는 겔 케스팅법을 이용한 세라믹 성형체.
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